NB-IoT: どのように機能するのですか? パート2

前回は、無線アクセス ネットワーク アーキテクチャの観点から、新しい NB-IoT 標準の特徴について説明しました。 今日は、NB-IoT のもとでコア ネットワークの何が変わったのかについて説明します。 じゃ、行こう。

ネットワークのコアに大きな変更が加えられました。 まずは、新しい要素と多くのメカニズムが登場したという事実から始めましょう。これらは標準で「CIoT EPS Optimization」、つまりセルラー モノのインターネットのコア ネットワークの最適化として定義されています。

ご存知のとおり、モバイル ネットワークには、コントロール プレーン (CP) とユーザー プレーン (UP) と呼ばれる XNUMX つの主要な通信チャネルがあります。 コントロール プレーンは、さまざまなネットワーク要素間のサービス メッセージの交換を目的としており、デバイス (UE) のモビリティの確保 (モビリティ管理) とデータ送信セッションの確立/維持 (セッション管理) に使用されます。 ユーザー プレーンは、実際にはユーザー トラフィックを送信するためのチャネルです。 クラシック LTE では、インターフェイス間の CP と UP の分布は次のようになります。

NB-IoT の CP および UP 最適化メカニズムは、MME、SGW、および PGW ノードに実装されており、これらは従来、C-SGN (Cellular IoT Serving Gateway Node) と呼ばれる単一の要素に結合されていました。 この規格は、新しいネットワーク要素である SCEF (Service Capability Exposure Function) の出現も想定しています。 MME と SCEF の間のインターフェイスは T6a と呼ばれ、DIAMETER プロトコルに基づいて実装されます。 DIAMETER はシグナリング プロトコルであるにもかかわらず、NB-IoT では少量の非 IP データの送信に適応されています。

その名前が示すように、SCEF はサービス能力展示ノードです。 言い換えれば、SCEF は通信事業者のネットワークの複雑さを隠し、アプリケーション開発者がモバイル デバイス (UE) を識別および認証する必要性を軽減し、アプリケーション サーバー (アプリケーション サーバー、以下 AS) が単一のネットワークを通じてデータを受信し、デバイスを管理できるようにします。 APIインターフェース。

UE 識別子は、従来の 2G/3G/LTE ネットワークの場合とは異なり、電話番号 (MSISDN) や IP アドレスではなく、よく知られた形式で標準によって定義される、いわゆる「外部 ID」になります。アプリケーション開発者の皆様へ」 @ 」 これは別の資料として扱うべき大きなトピックなので、ここでは詳しく説明しません。

次に、最も重要なイノベーションを見てみましょう。 「CIoT EPS Optimization」は、トラフィック伝送メカニズムと加入者セッション管理の最適化です。 主なものは次のとおりです。

• ドナス
• NIDD
• PSM および eDRX の省電力メカニズム
• HLCOM

DoNAS (Data over NAS):

これは、少量のデータの転送を最適化するために設計されたメカニズムです。

クラシックＬＴＥでは、加入者装置は、ネットワークに登録する際に、ｅＮｏｄｅＢを介してＭＭＥ−ＳＧＷ−ＰＧＷへのＰＤＮ接続（以下、ＰＤＮ）を確立する。 ＵＥ−ｅＮｏｄｅＢ−ＭＭＥ接続は、いわゆる「シグナリング無線ベアラ」（ＳＲＢ）である。 データの送受信が必要な場合、UE は eNodeB との別の接続「データ無線ベアラー」（DRB）を確立し、ユーザー トラフィックを SGW に送信し、さらに PGW に送信します（それぞれインターフェイス S1-U および S5）。 。 交換の終了時に、しばらくの間 (通常は 5 ～ 20 秒) トラフィックがない場合、これらの接続は終了し、デバイスはスタンバイ モードまたは「アイドル モード」に入ります。 データの新しい部分を交換する必要がある場合、SRB と DRB はリセットされます。

NB-IoT では、ユーザー トラフィックの送信は、シグナリング チャネル (SRB) を介して NAS プロトコル メッセージで実行できます (http://www.3gpp.org/more/96-nas）。 DRB のセットアップは必要なくなりました。 これにより、信号負荷が大幅に軽減され、ネットワーク無線リソースが節約され、そして最も重要なことに、デバイスのバッテリー寿命が延長されます。

eNodeB - MME セクションでは、ユーザー データが S1-MME インターフェイスを介して送信され始めますが、これは従来の LTE テクノロジーには当てはまらず、これには NAS プロトコルが使用され、「ユーザー データ コンテナ」が表示されます。

MME から SGW への「ユーザー プレーン」の転送を実行するために、少量のユーザー データの転送用に設計された新しいインターフェイス S11-U が登場します。 S11-U プロトコルは、1GPP アーキテクチャの他のネットワーク インターフェイスでのユーザー プレーン送信に使用される GTP-U v3 に基づいています。

NIDD (非 IP データ配信):

少量のデータを送信するメカニズムのさらなる最適化の一環として、IPv4、IPv6、IPv4v6 などの既存の PDN タイプに加えて、別のタイプである非 IP が登場しました。 この場合、UE には IP アドレスが割り当てられず、データは IP プロトコルを使用せずに送信されます。 これにはいくつかの理由があります。

1. センサーなどの IoT デバイスは、20 バイト以下の非常に少量のデータを送信できます。 IP ヘッダーの最小サイズが 20 バイトであることを考えると、IP カプセル化は非常に高価になる場合があります。
2. チップ上に IP スタックを実装する必要がないため、コストの削減につながります (コメントでの議論のための質問です)。

一般に、IoT デバイスがインターネット経由でデータを送信するには IP アドレスが必要です。 NB-IoT コンセプトでは、SCEF は単一の AS 接続ポイントとして機能し、デバイスとアプリケーション サーバー間のデータ交換は API 経由で行われます。 SCEF がない場合、非 IP データは PGW からポイントツーポイント (PtP) トンネル経由で AS に送信され、そのデータに対して IP カプセル化が実行されます。

これらすべては、デバイスの最大限の簡素化とコスト削減という NB-IoT パラダイムに適合します。

PSM および eDRX の省電力メカニズム:

LPWAN ネットワークの主な利点の 10 つはエネルギー効率です。 このデバイスは、単一のバッテリーで最大 XNUMX 年間のバッテリー寿命が持続すると主張されています。 そのような値がどのように達成されるかを見てみましょう。

デバイスの消費エネルギーが最も少なくなるのはいつですか? オフの場合は修正します。 また、デバイスの電源を完全に遮断することが不可能な場合は、必要がない限り無線モジュールの電源を遮断しましょう。 最初にこれをネットワークと調整する必要があります。

PSM (省電力モード):

PSM 省電力モードを使用すると、デバイスはネットワークに登録されたまま、無線モジュールを長時間オフにすることができ、データを送信する必要があるたびに PDN を再インストールする必要がなくなります。

デバイスがまだ利用可能であることをネットワークに知らせるために、ネットワークは更新手順であるトラッキング エリア アップデート (TAU) を定期的に開始します。 この手順の頻度は、タイマー T3412 を使用してネットワークによって設定され、その値はアタッチ手順または次の TAU 中にデバイスに送信されます。 クラシック LTE では、このタイマーのデフォルト値は 54 分で、最大値は 186 分です。 ただし、高いエネルギー効率を確保するには、186 分ごとに放送する必要があり、費用がかかりすぎます。 PSM メカニズムは、この問題を解決するために開発されました。

デバイスは、「アタッチ要求」または「トラッキング エリア要求」メッセージで 3324 つのタイマー T3412 および T35712000-Extended の値を送信することにより、PSM モードをアクティブにします。 413 つ目は、「アイドル モード」に切り替えた後にデバイスが使用可能になる時間を決定します。 413 番目は、TAU を作成する必要がある時間です。現在のみ、その値は XNUMX 秒または XNUMX 日に達します。 設定に応じて、MME はデバイスから受信したタイマー値を受け入れることも、「A​​ttach Accept」または「Tracking Area Update Accept」メッセージで新しい値を送信することによって値を変更することもできます。 これで、デバイスは XNUMX 日間無線モジュールをオンにできず、ネットワークに登録されたままになります。 その結果、ネットワーク リソースとデバイスのエネルギー効率が大幅に節約されます。

ただし、このモードでは、デバイスは受信通信のみに使用できません。 アプリケーション サーバーに向けて何かを送信する必要がある場合、デバイスはいつでも PSM を終了してデータを送信できます。その後、T3324 タイマー中はアクティブなままとなり、AS からの情報メッセージ (存在する場合) を受信します。

eDRX（拡張間欠受信）：

eDRX、強化された間欠受信。 「アイドル モード」にあるデバイスにデータを転送するために、ネットワークは通知手順「ページング」を実行します。 ページングを受信すると、デバイスはネットワークとさらに通信するために SRB の確立を開始します。 しかし、デバイス宛てのページング メッセージを見逃さないように、デバイスは無線電波を常に監視する必要があり、これもかなりのエネルギーを消費します。

eDRX は、デバイスがネットワークからメッセージを常時受信するのではなく、定期的に受信するモードです。 アタッチまたは TAU 手順中に、デバイスはブロードキャストを「リッスン」する時間間隔についてネットワークと合意します。 したがって、ページング手順は同じ間隔で実行されます。 eDRX モードでは、デバイスの動作はサイクル (eDRX サイクル) に分割されます。 各サイクルの開始時に、いわゆる「ページング ウィンドウ」（ページング タイム ウィンドウ、以下 PTW）があります。これは、デバイスが無線チャネルをリッスンする時間です。 PTW の終了時に、デバイスはサイクルが終了するまで無線モジュールをオフにします。

HLCOM (高遅延通信):

データをアップリンクに転送する必要がある場合、デバイスは、PSM または eDRX サイクルが完了するのを待たずに、これら XNUMX つの省電力モードのいずれかを終了できます。 ただし、デバイスにデータを転送できるのは、デバイスがアクティブな場合のみです。

HLCOM 機能または高遅延通信は、デバイスが省電力モードにあり通信に利用できないときに、SGW 上でダウンリンク パケットをバッファリングします。 TAU を実行するかアップリンク トラフィックを通過させることによってデバイスが PSM を終了するとすぐに、または PTW が発生すると、バッファリングされたパケットが配信されます。

もちろん、これには IoT 製品の開発者側の認識が必要です。デバイスとの通信はリアルタイムでは実現されず、アプリケーションのビジネス ロジックの設計には特定のアプローチが必要となるためです。

結論として、次のようにしましょう。新しいものの導入は常にエキサイティングですが、現在私たちが扱っている標準は、ボーダフォンやテレフォニカなどの世界の「バイソン」によってさえ十分にテストされていないため、二重にエキサイティングです。 私たちの資料のプレゼンテーションは完全に完成しているかのように見せているわけではありませんが、テクノロジーを十分に理解してもらえることを願っています。 ご意見をお待ちしております。

著者: コンバージェント ソリューションおよびマルチメディア サービス部門の専門家 Alexey Lapshin
 アスラプシュ

出所： habr.com